CN107810576A

CN107810576A - 用于相控阵天线的平衡多层印刷电路板

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Publication number: CN107810576A
Application number: CN201680037564.XA
Authority: CN
Inventors: A.费尔德曼; P.斯威鲁恩; L.M.努杰姆; D.莫洛尼; R.M.班农; P.J.赫斯特德; M.J.巴克利
Original assignee: Google LLC
Current assignee: Google LLC
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2018-03-16
Also published as: WO2017030645A1; TW201709779A; EP3338324A1; TWI612859B; US20170054205A1; US9722305B2

Abstract

相控阵天线组件(100,100a‑d)包括天线板堆栈(200)、被配置为覆盖天线板堆栈的天线罩(102)以及被配置为支撑天线板堆栈的壳体(110)。天线板堆栈包括中央核心层(214a)、限定底部厚度(T_B)的底部多层天线单元(208)以及限定顶部厚度(T_T)的顶部多层天线单元(206)。底部天线单元包括两个间隔开的底部金属层(210a，210b)，每个底部金属层与距对称轴线(201)不同的距离(D1，D2)相关联。顶部天线单元包括两个间隔开的顶部金属层(210c，210d)，每个顶部金属层与距离与底部金属层相关联的对称轴线的距离中的相应一个距离相关联。

Description

用于相控阵天线的平衡多层印刷电路板

技术领域

本公开涉及在平衡印刷电路板上实现的相控阵天线。

背景技术

通过将多个平面层堆栈在一起，可以在多层印刷电路板(PCB)上实施电子可操纵的相控阵天线，所述多个平面层包括流形层(manifold layer)和辐射元件层，以在期望的频率实现天线远场图案。除了使用昂贵的低损耗电解质和嵌入的薄膜电阻器层之外，由于使用较低阶弗洛凯(Floquet)模式散射技术来实现期望的射频(RF)性能以及使用带状线流形来消除系统共振，传统的天线印刷电路板堆栈是不平衡的。此外，需要多个层压循环来制造用于印刷电路板堆栈的所有层。因此，传统的相控阵天线印刷电路板堆栈与高制造和材料成本相关联而不适于在具有低成本和高容量消费电子产品的宽带无线互联网接入中使用。

天线罩可以用于保护天线板堆栈免受诸如雨、雪的天气因素和/或碎屑堆积的影响。天线罩通常由昂贵的多层结构组装而成，并与天线板堆栈间隔开两个波长，以实现合理的射频性能。虽然天线罩可以保护天线板堆栈，但天线罩外表面上的水和/或雪的积聚可能不利地影响在天线板堆栈下方实施的相控阵天线的RF性能。为了解决天线罩外表面上水和/或雪的积聚，天线罩可以具有弯曲的表面，这增加了天线罩的物理体积，并且由于天线罩上入射电磁场的增大的入射角而降低了RF性能。因此，传统的天线罩与高制造和材料成本相关联，而不适于在具有低成本、高容量消费电子产品的宽带无线互联网接入中使用。

另外，可以使用壳体来在地面之上容纳和支撑天线板堆栈，并且保护天线板堆栈的未被天线罩覆盖的暴露表面免受天气因素的影响。当与天线板堆栈的底面直接接触时，壳体可能创建对天线板堆栈的RF性能负面地影响的共振影响。

发明内容

本公开的一个方面提供了一种相控阵天线，其包括天线板堆栈、天线罩和壳体。天线板堆栈限定底端和顶端之间的厚度，并且包括中央核心层、底部多层天线单元和顶部多层天线单元。中央核心层包括底面和顶面，所述顶面布置在中央核心层的与底面相对侧上，并且限定平分底面和顶面的对称轴线，以将天线板堆栈的厚度分成两半。底部多层天线单元在中央核心层的底面和天线板堆栈的底端之间限定底部厚度，底部多层天线单元包括两个间隔开的底部金属层，每个底部金属层与距对称轴线的不同距离相关联。顶部多层天线单元在中央核心层的顶面和天线板堆栈的顶端之间限定基本等于底部多层天线单元的底部厚度的顶部厚度。底部多层天线单元包括两个间隔开的顶部金属层，每个顶部金属层与距离与底部金属层相关联的对称轴线的距离中的相应一个距离相关联。天线罩构造成覆盖天线板堆栈的顶端，并且包括外表面和内表面，内表面布置在天线罩的与外表面相对侧上并且与天线板堆栈的顶端相对。壳体被构造成将天线板堆栈支撑在地面之上，并且包括与天线板堆栈的底端相对的内表面以及布置在壳体的与内表面相对侧上的地接合表面。

本公开的实现可以包括以下可选特征中的一个或多个。在一些实施方式中，底部多层天线单元包括第一底部层、第二底部金属层、第一底部介电间隔件、射频流形层和第二底部介电间隔件。第一底部金属层布置在中央核心层的底面上，并且第一底部介电间隔件布置在第一金属层和第二底部金属层之间。射频流形层布置在天线结构的底端，第二底部介电间隔件布置在第二金属层与射频流形层之间。顶部多层天线单元可以包括第一顶部金属层和第二顶部金属层，第一顶部金属层布置在中央核心层的顶面上，并包括基本等于第一底部金属层的厚度的厚度，第二顶部金属层包括基本等于第二底部金属层的厚度的厚度。第二多层天线单元还可以包括第一顶部介电间隔件和第二顶部介电间隔件，所述第一顶部介电间隔件将第一顶部金属层和第二顶部金属层分隔开并且包括基本等于第一底部介电间隔件的厚度的厚度，所述第二顶部介电间隔件布置在第二顶部金属层的与第一顶部介电间隔件相对侧上且包括基本等于第二底部介电间隔件的厚度的厚度。

在一些示例中，第一底部金属层、第一顶部金属层和第二顶部金属层均包括相应的天线。第二底部金属层可以包括由每个天线共享的接地平面。天线中的每个可以包括不同的金属图案。天线组件可以包括一个或多个交叉偶极子，所述交叉偶极子电气地布置在由与至少一个天线相关联的金属图案限定的金属片之间。第一和第二底部金属层、第一和第二顶部金属层以及射频流形层可以通过在天线板堆栈的顶端和底端之间延伸的至少一个探针馈送通孔来连接。

在一些实施方式中，第一底部介电间隔件包括第一底部预浸渍层、第二底部预浸渍层和第一底部核心层，所述第一底部预浸渍层布置在第一底部金属层的与中央核心层相对侧上，所述第二底部预浸渍层布置在第二底部金属层上，第一底部核心层布置在第一底部预浸渍层和第二底部预浸渍层之间。第二底部介电间隔件可以包括布置在第二底部金属层的与第二底部预浸渍层相对侧上的第二底部核心层以及布置在第二底部核心层与射频流形层之间的第三底部预浸渍层。第一顶部介电间隔件可以包括布置在第一顶部金属层的与中央核心层相对侧上的第一顶部预浸渍层，布置在第二顶部金属层上的第二顶部预浸渍层以及布置在第一顶部预浸渍层和第二顶部预浸渍层之间的第一顶部核心层。第二顶部介电间隔件可以包括布置在第二顶部金属层的与第二顶部预浸渍层相对侧上的第二顶部核心层和布置在第二顶部核心层的与天线板堆栈的顶端相对侧上的第三顶部预浸渍层。

在一些示例中，第一底部核心层、第一顶部核心层和中央核心层的厚度基本相等。第二底部核心层和第二顶部核心层的厚度可以基本相等。第一和第二底部预浸渍层以及第一和第二顶部预浸渍层的厚度可以基本相等，并且第三底部预浸渍层和第三顶部预浸渍层的厚度可以基本相等。

射频流形层可以包括由形成在第三底部预浸渍层上的导电微带线形成的无源分路器/组合器。天线组件还可以包括布置在第二底部核心层和第三底部预浸渍层之间的控制布线导电层。控制布线导电层可以通过穿过第三底部预浸渍层形成的第一深度受控通孔连接到射频流形层。射频流形层可以通过穿过第三底部预浸渍层、控制布线导电层和第二底部核心层形成的第二深度受控通孔连接到第二底部金属层。

在一些示例中，一个或多个支撑构件从壳体的内表面延伸并且与天线板堆栈的底端接触以在壳体与天线板堆栈的底端之间限定底部气隙。在一些示例中，天线罩由一种或多种塑料材料形成，并且天线罩的外表面可以涂覆有疏水性材料。天线罩和天线板堆栈的顶端可以通过顶部气隙分隔开。

天线罩可以包括从内表面延伸的一个或多个支撑构件，该支撑构件被配置成将天线罩支撑在天线板堆栈的顶端上，并且限定将天线罩和天线板堆栈的顶端分隔开的顶部气隙。天线罩的外表面可以是弯曲的，以促进水和雪的流失。天线罩和天线板堆栈可相对于壳体的内部和地接合表面倾斜，以促进水和雪的流失。天线板堆栈可以围绕中心轴线旋转对应于天线板堆栈的倾斜的量，以在天线板堆栈的最宽扫描角度处最远离地放置栅瓣。

本公开的另一方面提供了一种第二相控阵天线。所述天线包括堆栈的印刷电路板的中央核心层，堆栈的印刷电路板的底部和堆栈的印刷电路板的顶部。中央核心层包括底面和顶面，该顶面布置在中央核心层的与底面相对侧上。底部限定在中央核心层的底面和堆栈的印刷电路板的底端之间延伸的底部厚度。底部包括与中央核心层的底面相对接触的第一天线层和与第一天线层间隔开的接地平面层。顶部限定了在中央核心层的顶面和堆栈的印刷电路板的顶端之间延伸的顶部厚度。顶部包括与中央核心层的顶面相对接触的第二天线层以及与第二天线层间隔开并且与中央核心层的顶面分隔开基本等于接地平面层与中央核心层的底面分隔开的距离的距离的第三天线层。由堆栈的印刷电路板的顶部限定的顶部厚度和由堆栈的印刷电路板的底部限定的底部厚度基本相等。

该方面可以包括以下可选特征中的一个或多个。第一、第二和第三天线层均可以包括相关联的金属片图案。与第一、第二或第三天线层相关联的金属片图案中的至少一个可以是不同的。一个或多个交叉偶极子可电气地放置在至少一个天线层的金属片之间，以在第一方向和与第一方向正交的第二方向上产生电场线。

天线可以包括将第一天线层和接地平面层分隔开的第一底部介电层，布置在堆栈的印刷电路板的底端处的射频流形层，将射频流形层和接地平面层分离的第二底部介电层，将第二天线层和第三天线层分隔开的第一顶部介电层，以及布置在堆栈的印刷电路板的顶端处的第二顶部介电层。第一顶部介电层和第一底部介电层可以包括不同于第二顶部介电层和第二底部介电层的介电厚度的介电厚度。第一底部介电层、第一顶部介电层、第二底部介电层和第二顶部介电层可以由印刷电路板材料形成。

在一些示例中，射频流形层、接地平面层、第一天线层、第二天线层和第三天线层通过至少一个探针馈送通孔连接，所述探针馈送通孔在堆栈的印刷电路板的顶端和低端之间延伸。射频流形层和接地平面层还可以通过穿过第二底部介电层形成的第一深度受控通孔连接。

在一些实施方式中，天线包括控制布线导电层，其形成在第二底部介电层内并且通过第二深度受控通孔连接到射频流形层，该第二深度受控通孔形成为穿过第二底部介电层的在控制布线导电层和射频流形层之间的部分。控制布线导电层或射频流形层中的至少一个可以由印刷在第二底部介电层上的导电微带线形成。

在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施方式的细节。其他方面、特征和优点将从描述和附图以及权利要求中显而易见。

附图说明

图1A是包括覆盖天线板堆栈并具有基本平坦的外表面的天线罩的示例相控阵天线组件的示意图。

图1B是包括覆盖天线板堆栈并具有弯曲的外表面的天线罩的示例相控阵天线组件的示意图。

图1C是包括覆盖天线板堆栈的天线罩并包括限定天线罩和天线板堆栈之间的气隙的多个支撑构件的示例相控阵天线组件的示意图。

图1D是沿着图1C的线1D-1D截取的示出了限定多个支撑构件和不均匀内表面的示例图案的截面图。

图1E是包括覆盖天线板堆栈的天线罩的示例相控阵天线组件的示意图，天线罩和天线板堆栈相对于地面倾斜。

图1F是沿着图1E的线1F-1F截取的示出了围绕中心轴线旋转对应于天线板堆栈相对于地面的倾斜的量的天线板堆栈的截面图。

图2是实施相控阵天线的示例天线板堆栈的示意图。

图3A是图2的天线板堆栈的第一天线层的示意图。

图3B是图2的天线板堆栈的第二天线层的示意图。

图3C是图2的天线板堆栈的第三天线层的示意图。

图4A示出了在图3B的第二天线层之上模拟的电场图案。

图4B示出了在图3C的第三天线层之上模拟的电场图案。

图5A示出了用于具有电气地布置在由金属图案限定的小金属片之间的交叉偶极子的天线的示例金属图案。

图5B示出了用于没有电气地布置在由金属图案限定的小金属片之间的交叉偶极子的天线的示例金属图案。

图6A示出了针对图5A的天线的包括在水平方向和垂直方向上的电场线的电场图案。

图6B示出了针对图6A的天线的仅包括一个方向上的电场线的电场图案。

各个附图中相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

参考图1A-图1F，在一些实施方式中，相控阵天线组件100、100a-d包括天线板堆栈200、覆盖天线板堆栈200的天线罩102以及在地面10之上支撑天线板堆栈200的壳体110。天线板堆栈200包括在多层印刷电路板(PCB)堆栈上实现的相控阵天线。天线板堆栈200可以包括与天线罩102相对的顶端204和与壳体110相对的底端202。天线板堆栈200可以限定在顶端204和底端202之间延伸的厚度。在一些实施方式中，天线板堆栈200是包括三个间隔开的天线300、300a-c(图2)的可转向有源电子扫描阵列(AESA)天线，以在给定频率处实现期望的天线方向性。在一些示例中，天线板堆栈200允许具有宽部分带宽(例如，大于百分之20)和宽扫描性能(例如，+/-45度)的任意双极化。在一些示例中，射频(RF)流形层(manifold layer)218(图2)布置在天线板堆栈200的底端202处。天线板堆栈可以包括使用低成本集成电路的有源移相器电路。在一些配置中，天线板堆栈200可以使用具有无源网络的多芯片模块来在接收模式中组合每个芯片模块的输出，或者在发射模式中分割公共输入以驱动每个芯片模块(即，RF流形)。天线板堆栈200或与天线板堆栈通信的独立子板(未示出)可以包括功率管理特征，用于每个天线300的相位和增益控制、RF上下转换、调制解调器、和/或其他数字通信硬件。

壳体110可以包括与天线板堆栈200的底端202相对的内表面114和布置在壳体110的与内表面114相对侧上的地接合表面112。壳体110可以保护未被天线罩102覆盖的天线板堆栈200的暴露表面免受诸如雨、雪的天气因素和/或碎屑堆积(debris-build up)的影响。可以将低成本有损介电材料附着到壳体110以抑制微带空腔共振。在一些实施方式中，壳体110包括从内表面114延伸并且与天线板堆栈200的底端202接触以将天线板堆栈200支撑在地面10之上并在其间限定底部气隙103的一个或多个支撑构件116(例如，脚)。底部气隙103与有损材料和金属外壳一起可以抑制天线板堆栈200的底端202与整个壳体110之间的共振。例如，底部气隙103可以抑制布置在天线板堆栈200的底端202处的RF流形层218和壳体110之间的共振，否则共振会负面地影响天线板堆栈200的RF性能。更具体地，抑制微带空腔共振的有损介电层允许使用损失成本微带流形，而不是高成本带状线流形。高成本带状线流形通常需要多叠层、不平衡印刷电路板。

天线板堆栈200可以在室外使用，并且天线罩102可以保护天线板堆栈200免受诸如雨、雪的天气因素和/或碎屑堆积的影响。天线板堆栈200可以包括外表面104和布置在天线罩102的与外表面104相对侧上并且与天线板堆栈200的顶端204相对的内表面106。在一些实施方式中，天线罩102与天线板堆栈200共同设计以在期望的部分带宽处实现期望的天线方向性。因此，天线罩102可以与天线板堆栈200集成，并由一种或多种低成本塑料诸如聚苯乙烯形成，而不需要使用诸如C夹层天线罩的昂贵的多层天线罩。天线板堆栈200可以是平衡天线板堆栈200，其中天线罩102被配置为保护平衡印刷板堆栈200的辐射元件。天线罩102和天线板堆栈200的(一个或多个)辐射元件的组合导致具有相对较宽的扫描体积和频率带宽的相控阵天线组件100。

在一些实施方式中，顶部气隙101被限定在天线罩102的内表面106与天线板堆栈200的顶端204之间，以允许跨所有扫描角度的天线的阻抗控制。参考图1A和图1B，在一些示例中，壳体110在天线板堆栈200的顶端204之上支撑天线罩102，其中顶部气隙101将顶端204和内表面106分隔开。在其他示例中，图1C和图1E示出从天线罩102的内表面106延伸的一个或多个支撑构件108，以将天线罩102支撑在天线板堆栈200的顶端204上，并限定将顶端204和内表面106分隔开的顶部气隙101。支撑构件108可以与天线罩102一体地形成。例如，图1D是沿着图1C的线1D-1D截取的截面图，其示出了以穿过天线罩102的内表面106的图案来限定支撑构件108而形成的多个凹槽。凹槽为天线罩102的内表面106提供不均匀性，并且可以选择凹槽的图案与天线板堆栈200一起使用以提供期望的天线RF性能。

参考图1A和图1C，在一些实施方式中，天线罩102的外表面104可以基本平坦并且与地面10共面。然而，平坦的外表面104可能允许水和/或雪堆积，并且由此不利地影响天线板堆栈200的RF性能。为了防止水和/或雪堆积，当天线罩102由塑料(例如聚苯乙烯)形成时，外表面104可以涂覆有疏水涂层。参考图1B，在其他实施方式中，天线罩102的外表面104可以是弯曲的以促进水和/或雪流失。参考图1E，在一些实施方式中，天线罩102和天线板堆栈200的顶端204相对于壳体110的内表面114和地接合表面112倾斜，以促进水和/或雪从天线罩102的外表面104和/或天线板堆栈200的顶端204流失。图1E示出了天线罩102和天线板堆栈200的顶端204相对于基本平行于地面10延伸的纵向线190的倾斜(slope)192。在这些实施方式中，天线板堆栈200可以包括楔形并且顶部气隙101在天线罩102的内表面106和天线板堆栈200的顶端204之间可以基本恒定。使天线罩和天线板堆栈200倾斜可以防止天气因素聚集在天线板堆栈200的顶端204和天线罩102的外表面104上，因此倾斜192的程度需要天线板堆栈200的在倾斜192的方向上并且以倾斜192的量的更大的扫描角度，以满足扫描要求。为了补偿天线板堆栈200的倾斜192的量所需要的较大的扫描角度，可以对准天线板堆栈200，使得由天线板堆栈200辐射的栅瓣(grating lobe)在最宽的扫描角度出现。图1F是沿着图1E的线1F-1F截取的截面图，其示出了天线板堆栈200围绕天线板堆栈200的中心轴线194旋转(例如，顺时针方向)。这里，天线板堆栈200可以关于天线板堆栈200的倾斜192围绕中心轴线194旋转对应于45度的量来将栅瓣置于最宽的扫描角度。使天线板堆栈200关于倾斜192的方向旋转45度，将栅瓣尽可能远离地布置在倾斜192的方向上，以允许在该方向上进行额外的扫描以补偿天线板堆栈200和天线罩102的倾斜。

参考图2，在一些实施方式中，天线板堆栈200包括底部多层天线单元208(在下文中称为“底部208”)、顶部多层天线单元206(在下文中称为“顶部206”)以及布置在底部208和顶部206之间的中央核心层214a。天线板堆栈200可以在底端202和顶端204之间限定厚度T。在一些实施方式中，阻焊层被施加到天线板堆栈200的底端202和顶端204。在底端202和顶端204中的每一个处的阻焊层可以是0.5密耳(例如，.0005英寸)。中央核心层214a可以包括底面215和顶面213，所述顶面213布置在中央核心层214a的与底面215相对侧上。对称轴线201可以平分中央核心层214a的底面215和顶面213来将天线板堆栈200的厚度T分成两半。天线板堆栈200的底部208可以在中央核心层214a的底面215和天线板堆栈200的底端202之间限定底部厚度T_B。天线板堆栈200的顶部206可以在中央核心层214a的顶面213和天线板堆栈的顶端204之间限定顶部厚度T_T。底部厚度T_B和顶部厚度T_T可以围绕中央核心层214a基本相等并平衡，并且还围绕对称轴线201平衡。

天线板堆栈200包括四个间隔开的金属层210a-d以及与金属层210a-d中的每个相对接触的中央核心层214a或介电间隔层212a-d中的至少一个。金属层210a-d可以由诸如铜的导电金属形成。介电间隔层212a-d可以由诸如阻燃剂4(FR4)玻璃环氧树脂复合材料的印刷电路板材料形成，并且包括介于约3.0至约5范围内的介电常数，用于在低于约15GHz的频率处的期望的天线性能。每个介电间隔层212a-d可以包括一个衬底核心层214b-e和至少一个预浸渍复合纤维层216a-f(以下称为“预浸渍层216a-f”)。

金属层210a-d和介电层212a-d可以围绕中央核心层214a均匀地平衡，以防止天线板堆栈200的翘曲。如本文所使用的，围绕中央核心层214a均匀地平衡金属层210a-d和介电间隔层212a-d是指天线板堆栈200的顶部206和底部208包括相等数量的金属层210a-d和介电间隔层212a-d，其中的金属层210a-d和介电间隔层212a-d中的相应一个从中央核心层214a的顶面213或底面215中的相应一个移位大致相同的距离。平衡天线板堆栈200允许在给定频率处实现期望的天线方向性所需的总层数被最小化。另外，并且如将变得更加明显的，平衡天线板堆栈200消除了制造中对多个层压循环的需要。因此，平衡天线板堆栈200防止了翘曲并且通过减少层的总数并且消除对多个层压周期的需要以制造天线板堆栈200来降低制造成本。

天线板堆栈200的底部208可以包括第一底部金属层210a和第二底部金属层210b，所述第一底部金属层210a与中央核心层214a的底面215相对接触并且距对称轴线201具有第一距离D₁，所述第二底部金属层210b与第一底部金属层210a间隔开并且距对称轴线201具有第二距离D₂。类似地，天线板堆栈200的顶部206可以包括第一顶部金属层210c和第二顶部金属层210d，所述第一顶部金属层210c与中央核心层214a的顶面213相对接触并且距对称轴线201具有第一距离D₁，所述第二顶部金属层210d与第一顶部金属层210c间隔开并且距对称轴线201具有第二距离D₂。第一底部金属层210a和第一顶部金属层210c的厚度可以基本相同，并且第二底部金属层210b和第二顶部金属层210的厚度可以基本相同。

天线板堆栈200的顶部206可以包括两个介电间隔件，所述两个介电间隔件包括第一顶部介电层212c和第二顶部介电层212d。第一顶部介电层212c可以布置在第一顶部金属层210c和第二顶部金属层210d之间。第二顶部介电层212d可以布置在第二顶部金属层210d的与第一顶部介电层212c相对侧上。

天线板堆栈200的底部208也可以包括两个介电间隔件，所述两个介电间隔件包括第一底部介电层212a和第二底部介电层212b。第一底部介电层212a可以布置在第一底部金属层210a和第二底部金属层210b之间。第一底部介电层212a可包括基本等于顶部206的第一顶部介电层212c的厚度的厚度。第二底部介电层212b可布置在第二底部金属层210b与布置在天线板堆栈200的底端202处的RF流形层218之间。第二底部介电层212b可以包括基本等于顶部206的第二顶部介电层212d的厚度的厚度。

在一些实施方式中，底部208的第一底部介电层212a包括布置在第一底部金属层210a的与中央核心层214a相对侧上的第一底部预浸渍层216a，布置在第二底部金属层210b上的第二底部预浸渍层216b，以及布置在第一底部预浸渍层216a和第二底部预浸渍层216b之间的第一底部核心层214b。底部208的第二底部介电层212b可以包括布置在第二底部金属层210b的与第二底部预浸渍层216相对侧上的第二底部核心层214c和布置在第二底部核心层214c和RF流形层218之间的第三底部预浸渍层。

在一些示例中，顶部206的第一顶部介电层212c包括布置在第一顶部金属层210c的与中央核心层214a相对侧上的第一顶部预浸渍层216d，布置在第二顶部金属层210d上的第二顶部预浸渍层216e，以及布置在第一顶部预浸渍层216d和第二顶部预浸渍层216e之间的第一顶部核心层214d。顶部206的第二顶部介电层216d可以包括布置在第二顶部金属层210d的与第二顶部预浸渍层216e相对侧上的第二顶部核心层214e，以及布置在第二顶部核心层214e的与第二顶部金属层210d相对侧上的天线板堆栈200的顶端204处的第三顶部预浸渍层216f。

在一些实施方式中，中央核心层214a、第一底部核心层214b和第一顶部核心层214d的厚度(例如介电厚度)基本相等，并且第二底部核心层214c和第二顶部核心层214e的厚度基本相等。在一些示例中，与每个核心层214c、214e相关联的厚度小于与每个核心层214a、214b、214d相关联的厚度。在一些实施方式中，第一和第二底部预浸渍层216a、216b以及第一和第二顶部预浸渍层216d、216e的厚度(例如，介电厚度)基本相等(例如，约4.0密耳)，并且第三底部预浸渍层216c和第三顶部预浸渍层216f的厚度基本等于且小于第一和第二顶部预浸渍层216d、216e的厚度。在一些示例中，与每个预浸渍层216c、216f相关联的厚度小于与每个预浸渍层216a、216b、216d、216e相关联的厚度。如本文所使用的，“密耳”是长度等于0.001英寸的单位。

天线板堆栈200可以包括布置在天线板堆栈200的底端202附近的所有有源和无源组件，而顶端204面向天线辐射的方向。在一些实施方式中，RF流形层218布置在底端202处并且包括由形成在第二底部介电层212b上的微带传输线实现的无源分路器/组合器。RF流形层218可以构建为反应网络或者使用传统的表面安装电阻器用Wilkinson分路器/组合器构建。用于天线板堆栈200的控制和布线(routing)还可以用在底端202处的RF流形层218实现，或者布置在第二底部核心层214c和第三底部预浸渍层216c之间的控制布线导电层220可以提供控制和布线。控制布线导电层220可以包括形成在第二底部核心层214c或第三底部预浸渍层216c上的微带线。例如，与控制布线导电层220相关联的微带线可以被印刷在第二底部核心层214c或第三底部预浸渍层216c上。RF流形层218和控制布线导电层220与相对稀疏的金属层相关联。因此，对应于控制布线导电层220的金属层可以布置在顶部206的第二顶部核心层214e和第三顶部预浸渍层216f之间，并且对应于RF流形层218的另一个金属层可以布置在顶端204以平衡围绕中央核心层214a的金属密度。然而，图2示出了例如通过蚀刻去除这些对应的金属层。

在一些示例中，天线板堆栈200包括具有三个辐射元件层300、300a-c、接地平面210b和微带流形层218的平衡印刷电路板堆栈。在一些实施方式中，第一底部金属层210a、第一顶部金属层210c和第二顶部金属层210d均包括相应的天线300、300a-c，并且第二底部金属层210b包括由每个天线300和布置在天线板堆栈200的底端202处的RF流形层218共享的接地平面210b。因此，天线板堆栈200不需要使用通过多个内部通孔连接的多个接地平面，由此允许天线板堆栈使用单个层压周期制造，从而降低制造成本。在一些示例中，至少一个探针馈送通孔(probe fed via)222、222a-b在天线板堆栈200的底端202和顶端204之间延伸，并且将每个天线300a-c、RF流形层218和接地平面210b连接在一起用于分配RF信号。探针馈送通孔222可以通过穿过天线板堆栈钻孔并且用金属填充孔来形成。环氧树脂也可以可选地填充探针馈送通孔222。基于天线RF要求，天线板结构的顶端204处的通孔残段(via stub)可以被反钻或留在适当位置。

在一些示例中，RF流形层218使用深度受控通孔224、224a-b连接到控制布线导电层220和接地平面层210b。例如，第一深度受控通孔224a可以穿过射频流形层218和接地平面层210b之间的第二底部介电层212b形成，以将射频流形层218连接到接地平面210b。具体地，第一深度受控通孔224a可以穿过第三底部预浸渍层216c、控制布线导电层220和第二底部核心层214c形成。还可以穿过在射频流形层218和控制布线导电层220之间的第三底部预浸渍层216c形成第二深度受控通孔224b，以将射频流形层218连接到控制布线导电层220。具有小介电厚度的第三底部预浸渍层216c和第二底部核心层214c允许第一深度受控通孔224a包括第三底部预浸渍层216c和第二底部核心层214c的组合介电厚度的约1.25倍的直径。第二深度受控通孔224b可以包括为第三底部预浸渍层216c的介电厚度的约1.25倍的直径。深度受控通孔224可以用激光钻孔并且可选地填充有金属以提供标准的高密度互连方法。

与第一底部金属层210a(例如，第一天线层300a)、第一顶部金属层210c(例如，第二天线层300b)和第二顶部金属层210d(例如，第三天线层300c)相关联的天线300提供可与天线罩102一起调谐的相控阵天线，以提供具有任意双极化的宽扫描性能(例如，+/-45度)和宽部分带宽(例如，大于百分之20)。在一些实施方式中，天线层300包括开槽天线孔径。第一天线层300a包括可形成在中央核心层214a的底面215或第一底部介电层212a上的相应的第一金属图案。第二天线层300b包括可以形成在中央核心层214a的顶面213或第一顶部介电层212c上的相应的第二金属图案。第三天线层300c包括可以形成在第二顶部核心层214e上或第一顶部介电层212c的与第二天线层300b相对侧上的相应的第三金属图案。天线层300中的至少一个可以与不同的金属图案相关联。

参考图3A-图3C，在一些实施方式中，每个天线层300a-c包括由穿过相关联的金属层210a、210c、210d形成的槽302a-c限定的不同的相应的金属图案。与天线300中的每一个相关联的金属图案可以协作以为在天线板堆栈200上实现的相控阵天线提供更高阶的弗洛凯模式散射。槽302a-c可以通过蚀刻和/或切割形成以限定金属图案。与天线300相关联的金属层210a、210c、210d可以包括基本正方形和平面的金属板。例如，金属板可以由诸如铜的导电金属形成。在一些示例中，每个金属层210a、210c、210d包括在每一侧上包括长度高达一半波长的正方形板。

图3A示出与由穿过第一底部金属层210a形成的第一系列槽302a限定的第一金属图案相关联的第一天线300a。因此，第一金属图案与由穿过第一底部金属层210a形成的第一系列槽302a分隔开的第一底部金属层210a的多个金属片(metal patch)相关联。第一系列槽302a可以垂直地和水平地延伸以限定用于第一天线300a的第一金属图案来实现双极化。图3A示出了通过第一底部金属层210a的相关联的正交金属片形成的探针馈送通孔222。

图3B示出与由穿过第一顶部金属层210c形成的第二系列槽302b限定的第二金属图案相关联的第二天线层300b。同图3A的第一天线层300a的第一金属图案一样，第二金属图案与由穿过第一顶部金属层210c形成的第二系列槽302b分隔开的第一顶部金属层210c的多个金属片相关联。图3B示出了垂直地和水平地延伸的第二系列槽302b以限定用于第二天线层300b的第二金属图案来实现双极化。探针馈送通孔222可以通过第一顶部金属层210c的相关联的正交金属片形成。

图3C示出与由穿过第二顶部金属层210d形成的第三系列槽302c限定的第三金属图案相关联的第三天线层300c。同图3A的第一天线层300a的第一金属图案和图3B的第二天线层300b的第二金属图案一样，第三金属图案与由穿过第二顶部金属层210d形成的第二系列槽302b分隔开的第二顶部金属层210d的多个金属片相关联。图3C示出了垂直地和水平地延伸的第三系列槽302c以限定用于第三天线层300c的第三金属图案来实现双极化。在一些实施方式中，交叉偶极子310、水平偶极子312或垂直偶极子314中的至少一个可以布置在第二顶部金属层210d的金属片之间的第三系列槽302c内。偶极子310、312、314可以创建指示更高阶弗洛凯模式的电场。在一些示例中，替代地形成金属片并且包括与相应的偶极子310、312、314相关联的形状。探针馈送通孔222可以穿过第二顶部金属层210d的相关联的正交金属片形成。

图4A和图4B示出了在相应的第二天线层300b和第三天线层300c之上模拟的电场图案400、400a-b以及探针馈送通孔222周围的电场，每个电场图案400、400a-b提供更高阶的弗洛凯模式散射。图4A示出了在第二天线层300b之上0.004英寸模拟的第一电场图案400a。区域402内的电场线指示由与第二天线层300b相关联的第二金属图案(图3B)提供的更高阶弗洛凯模式散射。图4B示出了在第三天线层300c之上0.004英寸模拟的第二电场图案400b。区域404内的电场线指示由与第三天线层300c相关联的第三金属图案(图3C)提供的更高阶弗洛凯模式散射。

图5A和图5B示出了均包括由穿过金属层210形成的一系列槽502限定的相同金属图案的示例天线500、500a-b。图5A的天线500a包括电气地布置在金属层210的小金属片之间的槽502内的交叉偶极子310。然而，图5B的天线500b不包括交叉偶极子510。

参考图6A和图6B，在图5A和图5B的相应天线500之上模拟的电场图案600、600a-b示出包括交叉偶极子510的天线500a比没有交叉偶极子的天线500b提供更高阶的弗洛凯模式散射。例如，图6的电场图案600a示出天线500a的交叉偶极子510在区域602a和604a内在水平方向和垂直方向两者上创建电场线。相比之下，图6B的电场图案600b示出与相同的金属图案相关联但没有交叉偶极子的天线500b在区域602b、604b内仅在一个方向上(例如，相对于图6B的视图的垂直方向)创建电场线。在一些实施方式中，通过将交叉偶极子510结合在金属层210a-d的金属片之间以创建利用具有正交电场线(例如，水平和垂直方向上的电场线)的电场图案600a，天线500a提供比与没有交叉偶极子的天线500b相关联的弗洛凯模式更易消散(evanescent)且因此更高阶的弗洛凯模式。此外，弗洛凯模式的增加的易消散性期望地减少天线500a的扫描和频率上的可变性。

已经描述了许多实施方式。然而，应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种相控阵天线组件(100,100a-d)，包括：

天线板堆栈(200)，所述天线板堆栈(200)在底端(202)和顶端(204)之间限定厚度(T)，所述天线板堆栈(200)包括：

中央核心层(214a)，所述中央核心层(214a)包括底面(215)和顶面(213)，所述顶面(213)布置在中央核心层(214a)的与底面(215)相对侧上，并且限定平分底面(215)和顶面(213)的对称轴线以将天线板堆栈(200)的厚度(T)分成两半；

底部多层天线单元(208)，所述底部多层天线单元(208)限定中央核心层(214a)的底面(215)和天线板堆栈(200)的底端(202)之间的底部厚度(T_B)，底部多层天线单元(208)包括两个间隔开的底部金属层(210a，210b)，每个底部金属层(210a，210b)与距对称轴线(201)的不同距离(D₁，D₂)相关联；以及

顶部多层天线单元(206)，所述顶部多层天线单元(206)限定中央核心层(214a)的顶面(213)和天线板堆栈(200)的顶端(204)之间的顶部厚度(T_T)，所述顶部厚度(T_T)基本等于底部多层天线单元(208)的底部厚度(T_B)，顶部多层天线单元(206)包括两个间隔开的顶部金属层(210c，210d)，每个顶部金属层与距与底部金属层(210a，210b)相关联的对称轴线(201)的距离(D₁，D₂)的相应的一个相关联；

天线罩(102)，被配置为覆盖天线板堆栈(200)的顶端(204)，天线罩(102)包括外表面(104)和内表面(106)，所述内表面(106)布置在天线罩(102)的与外表面(104)相对侧上，并与天线板堆栈(200)的顶端(204)相对；以及

壳体(110)，被配置为将天线板堆栈(200)支撑在地面(10)之上，壳体(110)包括与天线板堆栈(200)的底端(202)相对的内表面(114)和布置在壳体(110)的与内表面(114)相对侧上的地接合表面(112)。

2.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，其中：

底部多层天线单元(208)包括：

布置在中央核心层(214a)的底面(215)上的第一底部金属层(210a)；

第二底部金属层(210b)；

布置在第一底部金属层(210a)与第二底部金属层(210b)之间的第一底部介电间隔件(212a)；

布置在天线板堆栈(200)的底端(202)处的射频流形层(218)；以及

布置在第二底部金属层(210b)与射频流形层(218)之间的第二底部介电间隔件(212b)；以及

顶部多层天线单元(206)包括：

第一顶部金属层(210c)，所述第一顶部金属层(210c)布置在中央核心层(214a)的顶面(213)上并且包括与第一底部金属层(210a)的厚度基本相等的厚度；

第二顶部金属层(210d)，包括与第二底部金属层(210b)的厚度基本相等的厚度；

第一顶部介电间隔件(212c)，所述第一顶部介电间隔件(212c)分隔开第一顶部金属层(210c)和第二顶部金属层(210d)并且包括与第一底部介电间隔件(212a)的厚度基本相等的厚度；以及

第二顶部介电间隔件(212d)，所述第二顶部介电间隔件(212d)布置在第二顶部金属层(210d)的与第一顶部介电间隔件(212c)相对侧上，并且包括与第二底部介电间隔件(212b)的厚度基本相等的厚度。

3.根据权利要求2所述的天线组件(100,100a-d)，其中，第一底部金属层(210a)、第一顶部金属层(210c)和第二顶部金属层(210d)均包括相应的天线(300,300a-300c)，并且第二底部金属层(210b)包括由每个天线(300,300a-300c)共享的接地平面(210b)。

4.根据权利要求3所述的天线组件(100,100a-d)，其中，天线(300,300a-300c)中的每一个包括不同的金属图案。

5.根据权利要求4所述的天线组件(100,100a-d)，还包括一个或多个交叉偶极子(310)，所述交叉偶极子电气地布置在由与天线(300,300a-300c)中的至少一个相关联的金属图案限定的金属片之间。

6.根据权利要求2所述的天线组件(100,100a-d)，其中，第一和第二底部金属层(210a，210b)、第一和第二顶部金属层(210c，210d)以及射频流形层(218)通过在天线板堆栈(200)的顶端和底端(202,204)之间延伸的至少一个探针馈送通孔(222,222a，222b)连接。

7.根据权利要求2所述的天线组件(100,100a-d)，其中：

第一底部介电间隔件(212a)包括：

第一底部预浸渍层(216a)，所述第一底部预浸渍层布置在第一底部金属层(210a)的与中央核心层(214a)相对侧上；

第二底部预浸渍层(216b)，所述第二底部预浸渍层(216b)布置在第二底部金属层(210b)上；以及

第一底部核心层(214b)，所述第一底部核心层(214b)布置在第一底部预浸渍层(216a)和第二底部预浸渍层(216b)之间；

第二底部介电间隔件(212b)包括：

第二底部核心层(214c)，所述第二底部核心层(214c)布置在第二底部金属层(210b)的与第二底部预浸渍层(216b)相对侧上；以及

第三底部预浸渍层(216c)，所述第三底部预浸渍层(216c)布置在第二底部核心层(214c)与射频流形层(218)之间；

第一顶部介电间隔件(212c)包括：

第一顶部预浸渍层(216d)，所述第一顶部预浸渍层(216d)布置在第一顶部金属层(210c)的与中央核心层(214a)相对侧上；

第二顶部预浸渍层(216e)，所述第二顶部预浸渍层(216e)布置在第二顶部金属层(210d)上；以及

第一顶部核心层(214d)，所述第一顶部核心层(214d)布置在第一顶部预浸渍层(216d)和第二顶部预浸渍层(216e)之间；以及

第二顶部介电间隔件(212d)包括：

第二顶部核心层(214e)，所述第二顶部核心层(214e)布置在第二顶部金属层(210d)的与第二顶部预浸渍层(216e)相对侧上；以及

第三顶部预浸渍层(216f)，所述第三顶部预浸渍层(216f)布置在天线板堆栈(200)的顶端(204)处的第二顶部核心层(214e)的相对侧上。

8.根据权利要求7所述的天线组件(100,100a-d)，其中：

第一底部核心层(214b)、第一顶部核心层(214d)和中央核心层(214a)的厚度基本相等；

第二底部核心层(214c)和第二顶部核心层(214e)的厚度基本相等；

第一和第二底部预浸渍层(216a，216b)以及第一和第二顶部预浸渍层(216d，216e)的厚度基本相等；以及

第三底部预浸渍层(216c)和第三顶部预浸渍层(216f)的厚度基本相等。

9.根据权利要求7所述的天线组件(100,100a-d)，其中射频流形层(218)包括由在第三底部预浸渍层(216c)上形成的导电微带线形成的无源分路器/组合器。

10.根据权利要求7所述的天线组件(100,100a-d)，还包括布置在第二底部核心层(214c)和第三底部预浸渍层(216c)之间的控制布线导电层(220)，所述控制布线导电层(220)通过穿过第三底部预浸渍层(216c)形成的第一深度受控通孔(224,224a)连接到射频流形层(218)。

11.根据权利要求10所述的天线组件(100,100a-d)，其中，射频流形层(218)通过穿过第三底部预浸渍层(216c)、控制布线导电层(220)以及第二底部核心层(214c)形成的第二深度受控通孔(224,224b)连接到第二底部金属层(210b)。

12.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，还包括从壳体(110)的内表面(114)延伸并且与天线板堆栈(200)的底端(202)接触以限定壳体(110)和天线板堆栈(200)的底端(202)之间的底部气隙的一个或多个支撑构件(116)。

13.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线罩(102)由一种或多种塑料材料形成。

14.根据权利要求13所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线罩(102)的外表面(104)涂覆有疏水性材料。

15.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线罩(102)和天线板堆栈(200)的顶端(204)由顶部气隙分隔开。

16.根据权利要求15所述的天线组件(100,100a-d)，其中，天线罩(102)包括从内表面(106)延伸的一个或多个支撑构件(108)，所述支撑构件(108)被配置为将天线罩(102)支撑在天线板堆栈(200)的顶端(204)之上并限定分隔开天线罩(102)和天线板堆栈(200)的顶端(204)的顶部气隙。

17.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线罩(102)的外表面(104)弯曲以促进水和雪的流失。

18.根据权利要求1所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线罩(102)和天线板堆栈(200)相对于地面和壳体(110)的内接合表面(112,114)倾斜，以促进水和雪的流失。

19.根据权利要求18所述的天线组件(100,100a-d)，其中天线板堆栈(200)围绕中心轴线(194)旋转对应于天线板堆栈(200)的倾斜(192)的量来以天线板堆栈(200)的最宽的扫描角度放置栅瓣。

20.一种相控阵天线(100,100a-d)，包括：

堆栈的印刷电路板(200)的中央核心层(214a)，所述中央核心层(214a)包括底面(215)和布置在中央核心层(214a)的与底面(215)相对侧上的顶面(213)；

堆栈的印刷电路板(200)的底部(208)，所述底部(208)限定了在中央核心层(214a)的底面(215)和堆栈的印刷电路板的底端(202)之间延伸的底部厚度(T_B)，所述底部(208)包括与中央核心层(214a)的底面(215)相对接触的第一天线层(300,300a)以及与第一天线层间隔开的接地平面层(210b)；以及

堆栈的印刷电路板(200)的顶部(206)，所述顶部(206)限定了在中央核心层(214a)的顶面(213)和堆栈的印刷电路板(200)的顶端(204)之间延伸的顶部厚度(T_T)，所述顶部(206)包括与中央核心层(214a)的顶面(213)相对接触的第二天线层(300,300b)和与第二天线层(300,300b)间隔开并且与中央核心层(214a)的顶面(213)分隔开基本等于接地平面层(210b)与中央核心层(214a)的底面215分隔开的距离的距离的第三天线层(300,300c)，

其中由堆栈的印刷电路板(200)的顶部(206)限定的顶部厚度和由堆栈的印刷电路板(200)的底部(208)限定的底部厚度(T_B)基本相等。

21.根据权利要求20所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中第一、第二和第三天线层(300,300a-c)均包括相关联的金属片图案。

22.根据权利要求21所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中与第一、第二或第三天线层(300,300a-c)相关联的金属片图案中的至少一个是不同的。

23.根据权利要求21所述的相控阵天线(100,100a-d)，还包括一个或多个交叉偶极子(310)，所述一个或多个交叉偶极子(310)电气地放置在天线层(300,300a-c)的至少一个的金属片之间以在第一方向和与第一方向正交的第二方向上产生电场线。

24.根据权利要求20所述的相控阵天线(100,100a-d)，还包括：

第一底部介电层(212a)，所述第一底部介电层(212a)分隔开第一天线层(300,300a)和接地平面层(210b)；

射频流形层(218)，所述射频流形层(218)布置在堆栈的印刷电路板(200)的底端(202)处；

第二底部介电层(212b)，所述第二底部介电层(212b)分隔开射频流形层(218)和接地平面层(210b)；

第一顶部介电层(212c)，所述第一顶部介电层(212c)分隔开第二天线层(300,300b)和第三天线层(300,300c)；以及

第二顶部介电层(212d，216d)，所述第二顶部介电层(212d，216d)布置在堆栈的印刷电路板(200)的顶端(204)处。

25.根据权利要求24所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中第一顶部介电层(212c)和第一底部介电层(212a)包括不同于第二顶部介电层(212d，216d)和第二底部介电层(212b)的介电厚度的介电厚度。

26.根据权利要求24所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中第一底部介电层(212a)、第一顶部介电层(212c)、第二底部介电层(212b)和第二顶部介电层(212d，216d)由印刷电路板材料形成。

27.根据权利要求24所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中，射频流形层(218)、接地平面层(210b)、第一天线层(300,300a)、第二天线层(200,300b)和第三天线层(300,300c)通过在堆栈的印刷电路板(200)的底端和顶端(202,204)之间延伸的至少一个探针馈送通孔(222,222a)连接。

28.根据权利要求24所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中射频流形层(218)和接地平面层(210b)通过穿过第二底部介电层(212b)形成的第一深度受控通孔(224,224a)连接。

29.根据权利要求24所述的相控阵天线(100,100a-d)，还包括形成在第二底部介电层(212b)内并且通过穿过第二底部介电层(212b)的在控制布线导电层(220)与射频流形层(218)之间的部分形成的第二深度受控通孔(224,224b)连接到射频流形层(218)的控制布线导电层(220)。

30.根据权利要求29所述的相控阵天线(100,100a-d)，其中控制布线导电层(220)或射频流形层(218)中的至少一个由印刷在第二底部介电层上的导电微带线形成。